DE10151036A1 - Isolator für ein organisches Elektronikbauteil - Google Patents

Isolator für ein organisches Elektronikbauteil

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Isolator für ein organischen Elektronikbauteil, insbesondere für einen organischen Feld-Effekt-Transistor (OFET) und/oder einen organischen Kondensator. Das Isolatormaterial zeichnet sich dadurch aus, dass es eine nahezu konstante relative Dielektrizitätskonstante auch bei Änderung der Frequenz in weiten Bereichen, wie z. B. zwischen 1 Hz und 100 kHz, hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Isolator für ein organisches Elektronikbauteil, insbesondere für einen organischen Feld- Effekt-Transistor (OFET) und/oder einen organischen Kondensator.
  • Bekannt ist aus C. J. Dury et al., Appl. Phys. Lett. 73 1998, p. 108) dass Polyhydroxystyrol (PHS) als Isolator in OFETs eingesetzt wird. Hauptnachteil dieses Materials ist, dass bisher keine Möglichkeit bekannt ist, diesen Isolator wirtschaftlich zu strukturieren. Ein weiteres Problem mit diesem Material sind bewegliche Ionen, die zu einem extrem langsamen Schaltverhalten führen. Außerdem ist das PHS relativ teuer.
  • In einer neueren Veröffentlichung wurde kommerziell verfügbarer Fotolack (SC100, Olin Hunt) als Isolator verwendet (G. H. Gelinck et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2000, p. 1487). Wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass durch die Strukturierung des Fotolacks darunterliegende Schichten stark angegriffen oder zerstört werden. Damit ist es praktisch nicht möglich, diesen Isolator auf schon bestehenden Halbleiterschichten, wie z. B. Polyalkythiophen, zu verwenden. Für die Herstellung eines OFETs wird jedoch die Isolatorschicht über der halbleitenden Schicht, in die die Source und/oder Drain Elektroden eingebettet sind, aufgebracht. Eine Beschädigung der bereits bestehenden halbleitenden Schicht ist im Herstellungsprozess nicht tolerierbar.
  • Es wurde auch Polyimid als Isolatormaterial vorgestellt (J. A. Rogers et al., IEEE Electron Devices Letters, Vol 21, No 3, 2000, p. 100). Auch bei Verwendung dieses Materials ist eine Beschädigung der bereits fertigen Schichten eines OFETs zu befürchten, da dieses Materials nur bei extrem hoher Temperatur (~400°C) verarbeitet werden kann. Da organische Halbleiter bzw. Leiter typischerweise nur deutlich niedrigere Temperaturen unbeschadet überstehen (<< 200°C), kann Polyimid nicht in vollorganischen OFETs eingesetzt werden.
  • Unabhängig von den Verarbeitungseigenschaften der bekannten Materialien ist es bisher noch nicht gelungen, einen Isolator zu finden, dessen Dielektrizitätskonstante bei Änderung der eingestrahlten Frequenz grundsätzlich konstant bleibt. Vielmehr zeigen alle diese Materialien eine frequenzabhängige Änderung der Dielektrizitätskonstante, die ganze Größenordnungen betrifft.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Isolator für einen zumindest teilweise aus organischem Material aufgebauten Feld-Effekt-Transistor zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Isolator für ein organisches Elektronikbauteil, insbesondere für einen organischen Feld- Effekt-Transistor und/oder einen zumindest teilweise auf organischem Material basierenden Kondensator, wobei die Dielektrizitätskonstante der Isolatorschicht im wesentlichen konstant bleibt in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 100 kHz.
  • Nach einer Ausführungsform umfasst der Isolator Polyisobutylen oder unvernetztes EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), als Basispolymer (Hauptkomponente) die nur in unpolaren Kohlenwasserstoffen (Hexan, Heptan) löslich sind. Die erreichbare homogene Schichtdicke mit dem Material liegt zwischen ca. 2 µm-250 nm, wobei diese Schichten eine noch hinreichend hohe Isolationseigenschaft besitzen. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieses Materials liegt in der sehr einfachen Strukturierbarkeit um Durchkontakte zu ermöglichen (z. B. mittels Lithographie).
  • Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das Isolatormaterial handelsübliches PVDC-PAN-PMMA-Copolymer der allgemeinen Formel

    (-CH2Cl2-)x-(-CH2CH(CN)-)y-(-CH2C(CH3)(CO2CH3)-)z,

    wobei x, y, und z jeweils, unabhängig voneinander, Werte zwischen 0 und 1, bevorzugt die in den Beispielen angegebenen Werte annehmen können.
  • Das PVDC-PAN-PMMA-Copolymer wird bevorzugt zusammen mit Vernetzerkomponenten HMMM (Hexamethoxymethalmelamin) und/oder Cymel eingesetzt, deren Verhältnis breit variiert werden kann (gelöst in Dioxan). Dieses Material ermöglicht ebenfalls eine sehr einfache Strukturierung, wobei es dabei noch nicht vernetzt ist. Durch sehr geringe Temperaturen (ca. 70°C) lässt sich dieses Material vernetzen und wird dann resistent gegen alle nachfolgenden Schritte, die nötig sind um einen OFET fertigzustellen und eine integrierte Schaltung aufzubauen.
  • Nach einer Ausführungsform umfasst eine Isolatormischung ein Basispolymer der allgemeinen Formel

    [Ax/B1 - x]

    eingesetzt,
    wobei A z. B. Polyhydroxystyrol und B Poly(styrol-co- allylalkohol) z. B. Polyvinyltoluol, Poly-alphamethylstyrol ist.
  • Besonders bevorzugt sind dabei Mischungen, wie z. B. [50% Polyhydroxystyrol/50% Poly(styrol-co-allylalkohol)], gelöst in polaren Lösungsmitteln wie z. B. Dioxan. Ein großer Vorteil dieses Materials ist die sehr defektarme Schichtaufbringung auf P3AT.
  • Schließlich wird nach einer weiteren Ausführungsform ein Isolator eingesetzt, der ein Gemisch zweier Copolymere umfasst, nach der allgemeinen Formel

    [Ax/By]

    wobei insbesondere eine Mischung von Poly(vinyltoluol-co- alphamethylstyrol)/Poly(styrol-co-allylalkohol) geeignet ist. Die Indizes x und y können dabei gleich oder ungleich sein und Werte zwischen 0,5 und 1 annehmen. Besonders bevorzugt sind x und y gleich. Das Gemisch ist wiederum bevorzugt in polaren Lösungsmitteln gelöst, insbesondere in Dioxan.
  • Die genannten Materialien erfüllen überraschenderweise Eigenschaftsprofile, die insbesondere ihre Verwendung als Isolatorschicht in OFETs ermöglicht:
    Dies insbesondere, weil eine Isolatorschicht aus einem oder einer Mischung mehrerer der genannten Materialien folgende prozesstechnische, elektrische und mechanische Anforderungen erfüllt und gleichzeitig ein sehr preiswertes Materialsystem ist:
    • a) Prozesstechnische Anforderungen:
    • b)
      • - Die Isolatorschicht hat eine gute Löslichkeit in herkömmlichen organischen Lösungsmitteln wie z. B. Dioxan, Butanol andere Alkohole etc.
      • - Das Aufbringen der Isolatorschicht auf schon bestehende Schichten des OFETs (z. B. die Halbleiterschicht) schädigt diese Schichten weder durch Angreifen, Anlösen noch durch Veränderung ihrer Eigenschaften.
      • - Die Isolatorschicht ist nach dem Aufbringen strukturierbar. Das Strukturieren beeinflusst ebenfalls bestehende Schichten nicht negativ. Die Strukturierbarkeit ist unabdingbar nötig, um integrierte Schaltungen herzustellen, die aus mehreren OFETs bestehen, da erst mit der Strukturierung die Verbindungsleitungen zwischen der Gate-Elektrode eines OFETs und der Source- bzw. Drain-Elektrode eines anderen OFETs möglich wird.
      • - Nach dem Strukturieren ist die Isolatorschicht chemisch und thermisch stabil gegenüber den Prozessschritten, die nötig sind um nachfolgende Schichten des OFETs aufzubringen und zu strukturieren (z. B. die Gate- Elektrode)
    • c) Elektrische Anforderungen:
      • - Die relative Dielektrizitätskonstante der Isolatorschicht ist in etwa konstant in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 100 kHz. Als "in etwa konstant" wird die relative Dielektrizitätskonstante hier bezeichnet, wenn ihre Änderung kleiner gleich 50% beträgt.
      • - Die relative Dielektrizitätskonstante der Isolatorschicht hat bevorzugt mindestens einen Wert von etwa 2 bei den genannten Systemen. Damit lassen sich OFETs realisieren, die bei niedrigen Spannungen arbeiten.
      • - Die Leckströme durch die Isolatorschicht sind vorteilhafterweise auch bei sehr dünnen Schichten vernachlässigbar klein gegenüber den Source-Drain-Strömen, d. h. sie liegen bevorzugt unter 1 nA (hängt von der OFET-Geometrie ab).
      • - Die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Isolatorschicht ist hoch, hat bevorzugt einen Wert von mindestens 5.105 V/cm.
      • - Das Isolatormaterial soll bevorzugt keine beweglichen Verunreinigungen enthalten (z. B. Ionen).
      • - Die Schwellwertspannung des OFETs wird bevorzugt durch das Isolatorsystem nicht verschoben.
      • - mechanische Anforderungen:
      • - Die Isolatorschicht ist in Grenzen beständig gegenüber mechanischen Belastungen wie Verbiegen, Dehnen oder Stauchen.
      • - Das Aufbringen der Isolatorschicht durch Aufschleudern, Rakeln, Drucken oder Aufsprühen erfolgt so, dass eine planparallele, glatte, homogene und defektfreie Schicht entsteht.
  • Zur Herstellung des fertigen OFETs werden auf die Isolatorschicht strukturierbare Schichten aus entweder Photolack oder Metall aufgebracht. Nach deren Strukturierung kann die Isolatorschicht mit geeigneten Lösungsmitteln definiert entfernt und somit ebenfalls strukturiert werden. Die Isolatorschicht wird auf diese Weise stets bei Temperaturen unter 100°C strukturiert, so dass diese Prozessierung keinen negativen Einfluss auf die bereits vorhandenen Funktionsschichten (z. B. Halbleiter) hat.
  • Die exzellenten elektrischen Eigenschaften, d. h. hohe Dielektrizitätskonstante, hohe Durchschlagsspannung und niedrige Leckströme der betrachteten Materialsysteme erlauben weiterhin die Erzeugung von relativ dünnen Isolatorschichten, was zu einer drastischen Reduzierung der benötigten Gate-Spannung auf bevorzugte Werte unter 10 V führt.
  • Der Begriff "organisches Material" oder "organisches Funktionspolymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder organisch-anorganischen Kunststoffen (Hybride), insbesondere die, die im Englischen z. B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "polymer" im Funktionspolymer ist historisch bedingt und enthält insofern keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren Verbindung.
  • Im folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Beispiele, die Ausführungsformen der Erfindung beschreiben, erläutert:
    • Beispiel 1 Verwendung von Polyisobutylen (PIB) als Isolator
    • - 0,4 g PIB (Aldrich) werden in 9,6 g Hexan bei Raumtemperatur gelöst;
    • - die Lösung wird durch einen 0,45 µm PTFE-Spritzenfilter filtriert;
    • - die Lösung wird dann durch spin-coating (4000 U/min; 20 sec) auf das bereits mit Source/Drain-Elektroden und Halbleiter versehene Substrat aufgeschleudert (top-Gate Aufbau) und man erhält eine sehr homogene, ca. 260 nm dicke Schicht
    • - die Probe wird ca. 30 min bei Raumtemperatur im dynamischen Vakuum getrocknet
    • - anschließend wird eine dicke Schicht Photolack auf den Isolator aufgebracht, belichtet und unter normalen Bedingungen entwickelt;
    • - die Probe wird in ein Hexanbad getaucht und an den vom Photolack befreiten Stellen wird der Isolator abgelöst
    • - der restliche Photolack wird durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt
    Beispiel 2 Verwendung von PVDC-PAN-PMMA (x = 0.89, y = 0.03, z 0.08) als Isolator
    • - 0,4 g PVDC-co-PAN-co-PMMA (Aldrich) werden in 9 g Dioxan bei 40-50°C gelöst
    • - dann werden 0,5 g Cymel 327 (Cytec Industries Inc.) und 0,1 g Kamphersulfonsäure zugesetzt und noch einige Sekunden geschüttelt;
    • - die Lösung wird durch einen 0,45 µm PTFE-Filter gefiltert;
    • - die Lösung wird durch Aufschleudern (8000 U/min; 20 sec) auf das bereits mit Source/Drain-Elektroden und Halbleiter versehene Substrat aufgeschleudert (top-Gate Aufbau) und man erhält eine sehr homogene, ca. 400 nm dicke Schicht;
    • - die Probe wird ca. 30 min bei Raumtemperatur im dynamischen Vakuum getrocknet;
    • - die Schicht wird dann mit einer dünnen Goldschicht bedampft, die wiederum mittels Photolithographie strukturiert wird (Photolack, dann Ätzen mit KJ/J2-Lösung)
    • - diese aufgebrachte Metallmaske erlaubt die Strukturierung der Isolatorschicht, indem die nun freiliegenden Isolatorflächen mit einem mit Toluol getränkten Tuch entfernt werden
    • - dann erfolgt die Entfernung der Goldreste mit KJ/J2-Lösung
    • - letzter Schritt ist die Vernetzung des Isolators (10 min bei 90°C)
    Beispiel 3
  • Verwendung von [50% Polyhydroxystyrol/50% Poly(styrol-co-allylalkohol)] als Isolator
  • Diese Polymermischung wird anschließend mittels Dioxan gelöst und mit einem 0,2 µm Filter gefiltert. Anschließend wird die Isolatorschicht 30 Minuten bei ca. 100°C auf einer Heizplatte "ausgebacken". Die Strukturierung erfolgt ebenfalls mittels "Metallmasken" wie in Beispiel 2.
  • Das Isolatormaterial nach der Erfindung zeigt keine wesentliche frequenzabhängige Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante. Für dieses Phänomen kann zum einen eine Ausrichtung vorhandener anisotroper Moleküle verantwortlich sein oder ein Fehlen beweglicher Ladungsträger wie beweglicher Ionen. Jedenfalls wird über einen Frequenzbereich von nahezu 100 kHz keine wesentliche, also ca. 50% übersteigende, Änderung der Dielektrizitätskonstante festgestellt.

Claims (8)

1. Isolator für ein organisches Elektronikbauteil, insbesondere für einen organischen Feld-Effekt-Transistor und/oder einen zumindest teilweise auf organischem Material basierenden Kondensator, wobei die Dielektrizitätskonstante der Isolatorschicht im wesentlichen konstant bleibt in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 100 kHz.
2. Isolator nach Anspruch 1, der Polyisobutylen oder unvernetztes EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) als Basispolymer umfasst.
3. Isolator nach Anspruch 1, der handelsübliches PVDC-PAN- PMMA-Copolymer der allgemeinen Formel

(-CH2Cl2-)x-(-CH2CH(CN)-)y-(-CH2C(CH3)(CO2CH3)-)z,

wobei x, y, und z jeweils, unabhängig voneinander, Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann, als Basispolymer umfasst.
4. Isolator nach Anspruch 1, der ein Basispolymer der allgemeinen Formel

[Ax/B1-x],

umfasst,
wobei A z. B. Polyhydroxystyrol und B Poly(styrol-co- allylalkohol), Polyvinylalkohol, und/oder Poly-α- methylstyrol ist.
5. Isolator nach Anspruch 4, bei dem das Basispolymer eine Mischung aus 50% Polyhydroxystyrol/50% Poly(styrol-co- allylalkohol)] ist.
6. Isolator nach Anspruch 1, der als Basispolymer ein Gemisch zweier Polymerer umfasst, nach der allgemeinen Formel

[Ax/By]

mit A gleich Poly(vinyltoluol-coalphamethylstyrol) und B gleich Poly(styrol-co-allylalkohol), wobei die Werte von x und y gleich oder ungleich sind und Werte zwischen 0,5 und 1 haben.
7. Isolator nach Anspruch 6, bei dem die Werte von x und y gleich sind.
8. Isolator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem das Basispolymer gelöst in einem polaren Lösungsmittel wie z. B. Dioxan oder einem polaren Gemisch aus zumindest zwei Lösungsmittel vorliegt.
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